高溫超導(dǎo)飛輪儲能演示實(shí)驗(yàn)

邱靜和，張義邴，朱光華，李 銘，徐克西

（1.上海大學(xué)理學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)中心，上海200444；2.上海西靜華新能源材料有限公司，上海200273）

1 引 言

自從1986年高溫超導(dǎo)材料YBa2Cu3O7－δ（簡稱YBCO）[1]被發(fā)現(xiàn)后，掀起了世界性的高溫超導(dǎo)材料研究的熱潮.因?yàn)閅BCO的臨界轉(zhuǎn)變溫度首次突破了90K以上，即在液氮溫度下YBCO就可實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)，這為該類材料的應(yīng)用帶來了誘人的想象空間，僅替代傳統(tǒng)地下輸電電纜和高壓電纜就有巨大的市場潛力.這促使很多國家不惜成本投入巨額資金、大量人力和先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備，展開應(yīng)用開發(fā)上的激烈競爭.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超導(dǎo)技術(shù)在能源、交通、醫(yī)學(xué)、國防等都有重要的應(yīng)用.目前一些發(fā)達(dá)國家已試運(yùn)行地下超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)馬達(dá)、超導(dǎo)變壓器、研制高溫超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的試驗(yàn)樣機(jī).

超導(dǎo)體除了零電阻特性之外，還有一個(gè)重要的性質(zhì)就是對磁感應(yīng)線的排斥.當(dāng)磁通被完全排斥在超導(dǎo)體外時(shí)，超導(dǎo)體呈現(xiàn)完全Meissner效應(yīng)，不過這時(shí)永久磁體在超導(dǎo)體上的懸浮為不穩(wěn)定狀態(tài).當(dāng)外磁場高于Hc1（下臨界磁場）時(shí)，磁感應(yīng)線能部分進(jìn)入超導(dǎo)體，進(jìn)入超導(dǎo)體中的磁感應(yīng)線被“鎖”稱作釘扎中心的各種晶體缺陷上，由此感應(yīng)出高臨界電流，結(jié)果導(dǎo)致對永磁體產(chǎn)生排斥，克服永磁體自身重力，使其能穩(wěn)定地懸浮在超導(dǎo)體上.利用該特性，可應(yīng)用于超導(dǎo)磁懸浮列車、陀螺導(dǎo)航、超導(dǎo)磁軸承和超導(dǎo)飛輪儲能.

飛輪儲能由超導(dǎo)軸承和馬達(dá)發(fā)電一體機(jī)構(gòu)成，首先外接電源由馬達(dá)驅(qū)動飛輪到極高轉(zhuǎn)動速度，然后切斷外接電源.由于超導(dǎo)軸承無物理接觸、摩擦損耗極小，飛輪轉(zhuǎn)動動能得以儲存.當(dāng)需要時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入發(fā)電狀態(tài)，轉(zhuǎn)動動能轉(zhuǎn)化為電能.設(shè)計(jì)超導(dǎo)飛輪儲能的關(guān)鍵技術(shù)是基于強(qiáng)釘扎力的超導(dǎo)軸承，自高溫氧化物超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)后，人們就開始關(guān)注這方面的研究[2－4].一些國家在超導(dǎo)磁懸浮軸承、儲能方面的應(yīng)用取得了一定的成果，并研制出試驗(yàn)樣機(jī)[5－7].為了讓我國在校大學(xué)生盡快了解這一高新技術(shù)的應(yīng)用，同時(shí)激發(fā)學(xué)生的思考能力和創(chuàng)新能力，我們利用高溫氧化物超導(dǎo)塊材的抗磁和磁通釘扎特性研制了高溫超導(dǎo)飛輪儲能演示實(shí)驗(yàn)裝置.

2 高溫超導(dǎo)飛輪儲能演示實(shí)驗(yàn)裝置

高溫超導(dǎo)飛輪儲能演示實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由液氮容器、單疇熔融織構(gòu)YBCO超導(dǎo)塊材、永久磁體飛輪、直流電源、感應(yīng)／驅(qū)動線圈、發(fā)光管陣列和支架組成.螺線管線圈、釹鐵硼磁鐵、光電控制開關(guān)組合成飛輪動力的驅(qū)動系統(tǒng).使用外接可調(diào)、數(shù)顯、開關(guān)電源供電，飛輪轉(zhuǎn)速可達(dá)到3 000～3 500r／min.利用磁懸浮飛輪的轉(zhuǎn)動動能轉(zhuǎn)換成電能，該電能供給LED發(fā)光管，可使LED發(fā)光管能連續(xù)長時(shí)間發(fā)光，演示超導(dǎo)飛輪儲能的現(xiàn)象和效果.

圖1 高溫超導(dǎo)飛輪儲能演示實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

本實(shí)驗(yàn)裝置的外形尺寸540mm×350mm×200mm，準(zhǔn)單疇高溫超導(dǎo)塊材由我校超導(dǎo)塊材研究室提供[8].采用六角型超導(dǎo)塊材，臨界轉(zhuǎn)變溫度92K，由尺寸38mm×33mm×10mm的7枚塊材拼成，最大磁懸浮力為750N（超導(dǎo)塊材磁懸浮力≥12N／cm2）盤形釹鐵硼磁鐵上疊套鋁制圓盤構(gòu)成飛輪裝置.實(shí)物圖如圖2所示.

圖2 高溫超導(dǎo)飛輪儲能演示實(shí)驗(yàn)裝置

3 演示內(nèi)容和方法

本實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，動態(tài)演示可視性強(qiáng)，能直觀展示超導(dǎo)磁懸浮、磁通釘扎和超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲能現(xiàn)象和效果.

1）超導(dǎo)磁懸浮和磁通釘扎特性

在不通電的情況下，灌注液氮，YBCO超導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，可觀察到永久磁體離開超導(dǎo)體懸浮在上面，推動永久磁體離開平衡位置放手，磁體、飛輪仍然回復(fù)到原平衡位置.超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，會將體內(nèi)磁通排除體外.當(dāng)磁通被完全排斥在超導(dǎo)體外時(shí)，呈現(xiàn)完全Meissner效應(yīng)，不過這時(shí)永久磁體在超導(dǎo)體上的懸浮為不穩(wěn)定狀態(tài).當(dāng)外磁場高于Hc1（下臨界磁場）時(shí)，磁感應(yīng)線能部分進(jìn)入超導(dǎo)體，進(jìn)入超導(dǎo)體中的磁感應(yīng)線被“鎖”稱作釘扎中心的各種晶體缺陷上，由此感應(yīng)出高臨界電流，結(jié)果導(dǎo)致對永磁體產(chǎn)生排斥，克服永磁體自身重力，使其能穩(wěn)定地懸浮在超導(dǎo)體上.

2）超導(dǎo)飛輪儲能

利用高溫超導(dǎo)特有的自穩(wěn)定磁懸浮無摩擦的高速旋轉(zhuǎn)特性，采用外接電源驅(qū)動懸浮飛輪旋轉(zhuǎn)到極高速度，切斷外接電源，因摩擦損耗極小使得旋轉(zhuǎn)動能得以儲存下來備用.實(shí)驗(yàn)中利用旋轉(zhuǎn)飛輪側(cè)面上的永磁體和2組固定線圈模擬發(fā)電系統(tǒng)，永磁體的旋轉(zhuǎn)使得線圈中磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，點(diǎn)亮LED燈，可觀察到LED持續(xù)發(fā)光且飛輪轉(zhuǎn)速無明顯降低，達(dá)到演示超導(dǎo)飛輪儲能的目的.

3）電磁感應(yīng)

本發(fā)電系統(tǒng)利用了電磁感應(yīng)原理，永磁體掃過固定線圈時(shí)，線圈中的磁通量隨時(shí)間發(fā)生變化，產(chǎn)生感生電動勢，除線圈的參數(shù)外其值與飛輪的轉(zhuǎn)速和磁場大小有關(guān).實(shí)驗(yàn)還可以調(diào)節(jié)固定架上的螺桿，可改變固定線圈與旋轉(zhuǎn)飛輪側(cè)面的距離，不同的距離，導(dǎo)致線圈附近磁場大小和磁場分布的變化，得到不同磁通量的時(shí)間變化率，從而產(chǎn)生不同的感應(yīng)電動勢，可外接電壓表觀察.

4 結(jié)束語

高溫超導(dǎo)飛輪儲能演示實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)驗(yàn)效果明顯，能直觀展示超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲能現(xiàn)象，可用于超導(dǎo)和能源相關(guān)課程的配套實(shí)驗(yàn)或課堂演示.

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